基于DATA-SSI算法的簡(jiǎn)支梁橋模態(tài)參數(shù)識(shí)別研究

【摘要】實(shí)際工程中，可先在橋梁結(jié)構(gòu)上布置加速度傳感器以采集該結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下各結(jié)構(gòu)部分的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，其次將該響應(yīng)信號(hào)作為隨機(jī)子空間算法的輸入數(shù)據(jù)以識(shí)別該結(jié)構(gòu)的自振頻率值、阻尼比及模態(tài)振型，最后通過(guò)對(duì)比分析該結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)模態(tài)參數(shù)結(jié)果在不同時(shí)間段內(nèi)的具體變化情況，以便辨別該結(jié)構(gòu)是否處于良好的健康狀態(tài)。一旦結(jié)構(gòu)的參數(shù)出現(xiàn)突變的情況，表明其存在安全隱患問(wèn)題，則可提前采取相應(yīng)的安全措施以盡可能避免安全事故的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】橋梁結(jié)構(gòu)，隨機(jī)子空間算法，簡(jiǎn)支梁橋，模態(tài)參數(shù)

1 引言

實(shí)際工程中，橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命基本為100年，而隨著其運(yùn)營(yíng)時(shí)間的不斷增加，其結(jié)構(gòu)自身的不同部位會(huì)發(fā)生不同程度的損傷?；诖?，模態(tài)參數(shù)識(shí)別應(yīng)運(yùn)而生，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)在橋梁結(jié)構(gòu)上布置一定數(shù)量的傳感器，通過(guò)傳感器采集結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下的振動(dòng)響應(yīng)信號(hào)，其次通過(guò)某種模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法識(shí)別其結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果，包括自振頻率、阻尼比及模態(tài)振型，并分析對(duì)比各參數(shù)結(jié)果隨時(shí)間的具體變化情況來(lái)辨別結(jié)構(gòu)是否處于良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。鑒于此，本文通過(guò)利用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)子空間算法（Data driven Stochastic Subspace Identification，DATA-SSI）對(duì)某箱形簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別來(lái)簡(jiǎn)單介紹模態(tài)參數(shù)識(shí)別算法在橋梁結(jié)構(gòu)中的簡(jiǎn)單運(yùn)用。

2 工程背景

2.1簡(jiǎn)支梁模型

該簡(jiǎn)支梁橋模型為30m跨度，截面為單箱單室箱型截面，高度為2m，寬度為9.8m。采用CIVIL MIDAS軟件建立該實(shí)體模型，主梁共11個(gè)節(jié)點(diǎn)，10個(gè)主梁?jiǎn)卧?，全橋模型?jiàn)圖1所示。圖2為該橋梁結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)布置圖。

2.2環(huán)境激勵(lì)及結(jié)構(gòu)響應(yīng)

為了模擬環(huán)境激勵(lì)下橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)形式，在圖2中的2-10號(hào)節(jié)點(diǎn)處均施加豎直向下方向的白噪聲激勵(lì)，該白噪聲是采用Matlab軟件中的randn命令生成的均值為0，方差為1的隨機(jī)序列，時(shí)長(zhǎng)為60s，采樣頻率為100Hz，圖3為節(jié)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)白噪聲激勵(lì)的時(shí)程圖。

在實(shí)際工程中，橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵(lì)下會(huì)發(fā)生一定的振動(dòng)，由于篇幅有限，本文僅給出了節(jié)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)的加速度響應(yīng)時(shí)程曲線圖，見(jiàn)圖4所示。

3 模態(tài)參數(shù)識(shí)別

3.1模態(tài)參數(shù)識(shí)別一般流程

當(dāng)收集到橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)后，則可利用DATA-SSI識(shí)別算法對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，其一般流程如下：

（1）在橋梁結(jié)構(gòu)上布置一定數(shù)量傳感器，

（2）利用傳感器采集各節(jié)點(diǎn)的加速度響應(yīng)信號(hào)，

（3）將響應(yīng)信號(hào)作為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)隨機(jī)子空間算法的輸入數(shù)據(jù)，識(shí)別得到該結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果，包括頻率值、阻尼比及振型系數(shù)，

（4）分析各模態(tài)參數(shù)值的具體變化情況以辨別該橋梁結(jié)構(gòu)是否處于良好的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，即是否處于健康狀態(tài)。

3.2模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果

該橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定圖，具體見(jiàn)圖5所示。

識(shí)別所得結(jié)構(gòu)前5階頻率值分別2.02Hz、8.58Hz、16.66Hz、3101Hz、39.08Hz，阻尼比分別為0.0146、0.0082、0.0124、0.0102及00057。為了驗(yàn)證識(shí)別所得各階模態(tài)振型具有可靠性，同時(shí)因?yàn)槠邢?，本文僅將第三階模態(tài)振型識(shí)別結(jié)果與理論振型作對(duì)比，具體見(jiàn)圖6所示?？芍?，所得振型圖具有可信度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)將隨機(jī)子空間算法運(yùn)用于識(shí)別某簡(jiǎn)支梁橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，可知在實(shí)際運(yùn)用中可基于圖6所示基本流程圖采用DATA-SSI算法識(shí)別不同類型橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果。并通過(guò)識(shí)別出該結(jié)構(gòu)在不同時(shí)間段內(nèi)的模態(tài)參數(shù)結(jié)果，再通過(guò)對(duì)比分析各參數(shù)結(jié)果在不同時(shí)間段內(nèi)的具體變化情況來(lái)辨別該結(jié)構(gòu)是否處于良好的健康狀態(tài)。一旦結(jié)構(gòu)的參數(shù)出現(xiàn)突變的情況，則辨識(shí)其存在安全隱患問(wèn)題，則可提前采取相應(yīng)的安全措施以盡可能避免安全事故的發(fā)生。

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作者簡(jiǎn)介：

尹紅燕，女，漢族，河北衡水人，道路與鐵道工程碩士，講師，重慶交通職業(yè)學(xué)院，研究方向：道路橋梁檢測(cè)、施工。